碳纤维产业化发展及成本分析
胡晓梅
(安徽佳力奇碳纤维科技股份公司，安徽 宿州 234000)
摘要： 本文在对目前碳纤维生产成本情况进行分析的基础上，以聚丙烯腈基碳纤维生产为例针对其碳纤维生产成本的主要构成部分提出了有针对性的碳纤维生产成本控制措施，针对资源综合利用效率、规模化生产、改进工艺等方面，针对不同阶段的生产流程探讨降低产品成本的路径，通过相关措施的采取实现原材料、能耗、制造费用、人工成本等的有效降低，为实现以低成本控制提升企业利润及效益的目标提供参考。
关键词： 碳纤维；产业化发展；生产成本控制
作为纤维材料的一种，碳纤维因具备高性能优势而得以在众多领域中广泛应用。随着碳纤维行业的深入发展及市场需求的变化，即对新型高性能材料需求(风能、汽车等行业)的不断提高，为碳纤维生产企业提出了更高的要求，碳纤维增强复合材料在满足新一代工业及高端领域低碳发展需求的同时提高生产效益，目前碳纤维的推广应用仍受限于高生产成本，如何降低碳纤维领域的生产成本成为目前研究的重点领域[1]。本文根据碳纤维构成成本提出了控制生产成本的有效措施，以期提高碳纤维企业的生产效益。
一、碳纤维生产成本分析
可设计性较强的碳纤维属于新兴材料，具备高强度、抗高温/震动/蠕变、重量轻等优势，由于较高的碳纤维原料生产及制造成本成使其在下游行业的广泛应用受到了限制，尤其是在环保投入不断加大的情况下，生产及运输等费用(包括原材料、包装材料)大幅上涨进而增加了生产成本。目前国内生产碳原丝大多采用杂质含量较高的民用腈纶原液，造成碳纤维性能不稳定(易导致毛丝缠结、断丝情况的发生)，原丝一般在碳纤维成本中可达到约51%的占比，较高质量的PAN 原丝投入及碳纤维产出比例约为2.2∶1，较低的质量原丝投入及碳纤维产出比例约为2.5∶1，导致了碳纤维生产成本的增加。此外，包括聚合、喷丝、牵引及低温/高温碳化在内的碳纤维生产过程对技术要求高[1]。以PAN基碳纤维为例聚合、纺丝和氧化炭化是其生产成本的主要构成(还包括生产流程和设备、工业区公用资源、水电汽等配套工程)，规模效益在生产碳纤维过程中较为突出。(1)聚合，主要包括由原料和生产物资消耗构成的直接生产成本、由纯化与输送原料、聚合、过滤/输送原液、回收单体/溶剂等成本构成的生产过程成本以及由蒸汽、电力、水、配套设施运维等成本构成的综合生产成本。(2)PAN纺丝，生产成本集中在过滤/输送聚合液、纺丝、净化等。(3)碳纤维生产的氧化炭化环节，成本主要集中在处理所需原材料(包括上浆剂、电、氮气、循环水)、配套设施运维、车间洁净化及炭化废气处理等成本。(4)辅助工程，生产成本集中在蒸汽生产、高纯水及氮气制备、冷冻、水循环系统(包括污水处理)、能源消耗(包括原煤、电力、水等)、配套设施运维等[2]。(5)固定资产和流动成本，固定资产折旧期为10年(根据国产化设备生产线设计加工)，主要包括厂房建造、生产设备、配套辅助系统等，年产百吨生产线每吨折旧费约5.02万元；流动成本以运输、仓储、包装及人力资源储备等费用为主，在生产定员300人、4班3运转的情况下(运输与仓储均在厂内进行)，计算可得每吨均摊流动成本约3.8万元。根据理论和实际生产数据，对于年产百吨碳纤维，其每吨生产线直接成本单耗及生产成本价约为29.6万元和38.3万元。
二、规模效益预测与分析
为实现规模效益的进一步提高，本文以生产PAN原丝工艺流程为依据对原丝生产运营状况(年产量3000t)进行预测，每吨原丝成本为5.81万元(直接成本、固定资产折旧及流动费用分别为4.1万元、0.72万元、0.98万元)。配套两条碳纤维年生产规模为1000t的500t/a生产线，每吨碳纤维综合成本为20.68万元(其中直接成本、固定资产折旧和流动费用分别为18.13万元、2.21万元、0.32万元)。原丝和碳纤维在不同产能下的成本构成如表1所示，在碳纤维直接成本分配中，同年产1000t碳纤维(消耗3000t原丝)相比，年产100t碳纤维(消耗250t原丝)的直接费用占比减小约7.8%、流动费用差别不明显、固定资产折旧占比约高4%，实际产生结果表明原丝和碳纤维的生产成本同生产规模呈反比，非直接生产因素占比在不断增加生产规模和产量的情况下会逐渐减小。计算对比碳纤维年产100t及1000t直接费用，大规模的直接生产费用是小规模费用的61%和48%，即通过规模化生产可使碳纤维生产成本得以有效降低[3]。
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表 原丝和碳纤维在不同产能下的成本构成 单位：万元
三、具体成本的有效控制措施
根据不同规模碳纤维生产线的资料研究情况，对其经济效益的分析结果表明经济效益的产生通常需生产规模达到千吨级以上，在低成本碳纤维规模化发展过程中，(1)针对聚合工序，纯化处理原材料过程(包括溶剂和聚合单体)可通过将传统的精馏纯化方式用离子交换树脂方式代替，实现在显著节能减排的同时使纯化产品的纯度得以有效提高。聚合工序主要负责对共聚单体组分进行调整，为确保快速可控的氧化工艺的实现，在预氧化碳纤维原丝过程中可通过氧气透过率的提高加快氧化反应速率，实现对放热反应范围的宽化处理，有效避免皮芯结构爆燃情况的发生，促进氧化和环化反应。(2)纺丝工序，目前国内该工序的生产工艺以湿法纺丝为主，聚合液固含量在纺丝原液中的占比通常低于20%，每分钟的纺丝不超过100米。在相同条件下通过采用干喷湿纺对传统纺丝工艺进行改进，可提高每分钟的纺丝到300 米并使固含量提高到22%以上。在纺丝装备及能源消耗相同的情况下通过新纺丝工艺的使用，在降低生产碳纤维原丝成本的同时(75%左右)，可显著提高产量(2～8 倍左右)。(3)氧化炭化工序，现阶段生产碳纤维大多使用外热式氧化炉完成氧化炭化过程，预氧化时间需要120分钟(国外则不超过90 分钟)，通过流态化加热技术的使用可在缩短预氧化反应时间的同时使传热及传质效率得以提高，采用热辊接触式(包括蒸汽、热油等)干燥方式代替传统热风非接触方式对碳纤维表面进行处理，可降低约2/3的干燥时间及能耗，生产效率提高50%以上[5]。
1.生产工艺的改进
为实现规模效益的进一步提高，除扩大生产规模(产业化发展)外，本文以生产PAN原丝工艺流程为依据从提升碳纤维产量、降低运维及人力费用方面出发探讨有效的控制措施，通过规模化生产及工艺的革新可使原料成本和公共费用得以有效降低，目前国内碳纤维生产正在尝试采用新纤维(如木质素、聚乙烯纤维、工业腈纶等)的低成本方案，由于大多仍处在实验阶段，进行产业化及工业化生产需通过实践进行验证[4]。碳纤维可显著降低复合材料的成本，低成本高性能的复合材料兼顾高性能价格比以及比较成本优势，如对于车用碳纤维复合材料需对零部件成本、组合安装成本、节能减排的综合效益进行充分考虑。生产碳纤维过程中，通常对固定费用(包括厂房建造、设备、运输成本等)的控制相对较弱，可控可调的成本包括原材料及能源消耗、技术及工艺引进等，在降低生产成本方面可通过减少此类费用实现。
2.资源的综合利用
在碳纤维生产成本中，氧化工序能耗及炭化工序分别约占总成本的16%和23%，需根据实际生产需要对生产工艺和设备进行不断的优化以使资源的综合利用率得以有效提高，从而实现生产成本的降低。如美国利兹勒公司在氧化炉、干燥炉等设备中通过新技术(包括红外辐射、射频加热)的组合应用使温度分布更加均匀，有效降低了大丝束的氧化炭化处理难度，作为一种低温干燥方式射频能量加热技术采用即时开关的加热方式，其升降程序效率显著高于传统加热方式，由于无空气流动提高了丝束运行的稳定性，且对周围环境热辐射少有利于环保，通过应用该加热技术可显著缩短原丝氧化炭化停留时间(约为传统加热方式的1/3)。由预氧化纤维经炭化过程完成到碳纤维(含碳量需超过94%)的转化，具体需使用到低温和高温炭化炉(温度范围分别在700～900 ℃和1450～1800 ℃)。炭化炉通过将传统水冷却操作用绝缘/耐火材料替代实现设备热量损失的有效降低。通过对电气接口、电力供应进行合理调整提高功率因数，确保高效高容量生产过程的实现。对于高、低温炭化炉的废气通过余热多级利用技术及换热器的使用实现将未处理废气加热至最终反应温度(800 ℃左右)的过程，已处理废气经过一级换热器的冷空气达到约200 ℃后向混合过滤器传送，以降低氧化设备能耗及碳纤维每吨成本[6]。此外，开发新型高分子材料是降低碳纤维生产成本并提高企业竞争力的有效方式，碳纤维将向原料多元化方向发展；提高生产过程的信息化管理水平以降低人力资源管理成本提升企业综合效益。
四、结语
碳纤维产业链现阶段存在的主要问题在于企业的生产成本及应用企业的使用成本高，作为制造业企业，碳纤维产业化发展效益的提升离不开生产成本的有效控制，本文主要对碳纤维产业化发展过程的成本控制路径进行了分析和研究，具体通过生产工艺的改进实现碳纤维单线生产能力的有效提高，在规模化生产中注重资源综合利用率的整体提高，以进一步降低碳纤维生产的能源消耗及成本费用，从而提高企业效益。
参考文献：
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[3]沈真.交通运输领域复合材料结构低成本之路——四论国产碳纤维产业化[J].新材料产业,2018，(10):27～29.
[4]Joung-Man Park,Zuo-Jia Wang,Dong-Jun Kwon,Ga-Young Gu,Woo-Il Lee,Jong-Kyoo Park,K.Lawrence DeVries.Optimum dispersion conditions and interfacial modification of carbon fiber and CNT-phenolic composites by atmospheric pressure plasma treatment[J].Composites Part B.2016(5):2272～2278.
[5]徐樑华,王宇.国产高性能聚丙烯腈基碳纤维技术特点及发展趋势[J].科技导报,2018，(19):43～51.
[6]魏程,李刚,王梓桥等.低成本中温固化湿法缠绕用树脂基体及其国产碳纤维复合材料[J].纤维复合材料,2017，(04):3～8.
中图分类号： F426
文献识别码： A
文章编号： 2096-3157(2019)30-0125-02
作者简介：
胡晓梅，供职于安徽佳力奇碳纤维科技股份公司。
标签：碳纤维论文; 产业化发展论文; 生产成本控制论文; 安徽佳力奇碳纤维科技股份公司论文;